发现引力波的意义

LIGO(激光干涉引力波天文台)项目已经证实了爱因斯坦笔下的“时空涟漪”,即引力波,开启了天文物理学的新纪元。

大约130亿年前, 两个超级黑洞各自旋转着向对方接近,直到碰撞爆炸。黑洞瞬时发生塌缩,30倍太阳的质量被压缩在微小空间之中。 两个黑洞融合产生的巨大的引力产生了一个新的黑洞,强大的引力场扭曲了时空,产生的引力波穿透空间。由黑洞碰撞产生的能量超过了宇宙中可见星系和恒星释放能量的总和。这听起来不可思议,但类似的事情被科学家们普遍认为在宇宙中常有发生;然而,由这种碰撞所产生的引力波还是第一次被人们所探测到。


2016年2月11日,在备受关注的华盛顿发布会(该发布会同时在多地举行)中,科学家宣布,通过激光干涉引力波观测站(LIGO)首次观测到了引力波。从而宣布持续了大半个世纪的“寻找引力波”项目获得了巨大的胜利。

LIGO的项目总负责人 David Reitze在会议上宣布,这确实是人类科学史上又一次堪比登月的壮举,我们真真切切地观察到了引力波,证明引力波确实存在着。有人将毕生的时间投入到这个项目中,还有许多人在此之前就去世了,未能见证这一历史性时刻。同时,LIGO团队成员,哥伦比亚大学物理学家 Szabolcs Marka说道:“投入的时间以及经费都很值得,这次发现真是令人激动。这并不仅仅说是你发现了某种未曾发现的东西,而是你向其余人自豪地宣布这个发现,向全人类分享此次发现,具有非常重大的意义。”

1916年,伟大的物理学家爱因斯坦在他的理论著作相对论中,预言了引力波的存在,可是并没有条件直接证明它的存在。自20世纪60年代至今,科学家们就前赴后继地寻找相对论中的“时空涟漪”,可是并没有成功观测到引力波对地球所造成的影响。 LIGO发现引力波的论文被发表在Physical Review Letters(物理评论快报,是世界著名的物理学顶级学术期刊,主要发表重要的物理研究成果)上,这不仅为引力波的存在提供了强有力的证明,还开启了利用引力波研究宇宙起源的大门。

人类史上建造的最复杂的系统之一

美国国家基金会投资了十亿美元进行LIGO项目,并且有超过1000名科学家在为其工作。该项目利用了位于华盛顿和路易斯安那州的两个探测器来监测引力波穿过地球时造成的时空扭曲现象。每个探测器的形状类似于一个巨大的“L”,两条管状长臂相互垂直,每个长度长达4千米。 激光发生器产生的激光在管内来回反射,通过精确的原子钟来测量激光来回耗费的时间。通常情况下,由于两边的长度相等,因此两边内的激光来回耗时相等。如果引力波穿过该探测器,由于引力波对空间的影响,会使两臂长度发生微小变化,同时两原子钟的计时也会产生差异,最后导致两边内激光来回的耗时不再相等。

由于引力波造成空间变化的量级非常小,大约为质子直径的千分之一,因此LIGO必须具备极高灵敏度的探测器才能监测到这种微弱的变化,这就对探测器的设计建造提出了巨大挑战。这是人类史上建成的最复杂系统之一 ,为了使探测器具有超高的灵敏度,科学家们进行了长时间的技术攻关。影响探测结果的外界因素很多,例如飞机飞行、风吹、微弱的地震等都会对探测器造成干扰,产生大量的“噪音”。即使是打开控制室开关这个动作,都会被探测器感觉到。为了排除外界因素的干扰,使结果准确无误,科学家们在华盛顿州和路易斯安那州分别建立了LIGO探测器来排除外界噪声污染对实验结果造成的影响。通过对比两地探测器的结果,最终真真切切地发现了来自地外的引力波。

2002年,LIGO探测器初次运行,直到2010年还未发现任何引力波的迹象,之后科学家全面关停了探测器并对LIGO探测器所有部件进行了改进,包括增大了激光产生器的功率和更换了反射镜。第二代LIGO于2015年9月18日重新正式开始运行。目前,第二代LIGO的探测灵敏度较以前已经提升了两倍,接下来,科学家仍会对LIGO不断改进,未来,LIGO的探测灵敏度将会提高十倍。

迟来的引力波

在此之前,引力波存在的强有力证据来自于对脉冲星(又称波霎,是中子星的一种,为会周期性发射脉冲信号的星体)的观测结果。1974年,科学家Joseph Taylor 和 Russell Hulse发现了一颗围绕中子星旋转的脉冲星,随后的研究表明,脉冲星的环绕轨道长度逐渐减少。科学家们推测,脉冲星在轨道运行的过程中,其能量显然在逐渐减少,这种能量极有可能是以引力波的形式逐步向外辐射扩散。这次的发现使得Taylor和Russell 两位科学家获得了1993年的诺贝尔物理学奖。自此之后,人们越加地希望能够探测到引力波的“真身”。 Taylor感叹“我一直都在寻找它,毫不停歇,这花费了我很长的时间,这个过程非常考验人的耐心,而且只要时间够长,我们一定可以发现它。”

这次发现不仅仅证明了引力波的存在, 还更加确定了黑洞的存在。此前人们几乎都认为黑洞存在,并且有许多证据已经间接地表明了黑洞确实存在,但之前并没有直接证据证明其存在,仍然存在很多的不确定性。除了引力波,其他任何证据都不能直接表明黑洞的存在。”

LIGO具有分析引力波特征的能力,为科学家研究黑洞提供了全新的方法。研究人员想知道黑洞碰撞后的更多细节,以及这些细节是否符合理论假设。他们所关注的是两个完全黑暗的物体,通过引力波和黑洞碰撞的研究,可以推测出黑洞的形成过程。同时LIGO探测器能分辨出一些由其它现象产生的引力波,比如超新星爆炸和两颗中子星碰撞所产生的引力波。

LIGO以及接下来的引力波研究实验将会检验广义相对论的正确性。这个具有100年历史的理论经历了时间的考验,但是却不符合量子力学的结论。从现在起,广义相对论将会接受前所未有的全面考验,同时其理论内容也有机会被大大完善。

在众多为研究引力天文学而建设的项目中,LIGO是第一个。今年,在意大利一个名为Virgo的项目也会成立,同时在2020年前,日本的KAGRA(大型低温引力波望远镜)也将投入观测。并且,去年12月份发射的Lisa Pathfinder空间探测器也将开始探测来自于超级黑洞碰撞产生的引力波。

只要你从新视角来理解宇宙,总会发现全新的事物。当年伽利略将第一架望远镜对向天空,看到了星星和月亮,我们随后改进了它并且探测到了微波背景辐射,紫外线,又发明了射电望远镜。我们对宇宙了解越来越多,如今引力波的发现正如伽利略的第一架望远镜,将会对宇宙探索产生巨大的推动。未来会发现什么,非常令人期待。